本人有幸参与了电厂三期扩建工程中钢顶管工程,而在实际顶进过程中,又出现了地质报告中没有的两种地质:硬质石英岩地质古河道冲沟地层(粉细砂层)。本文主要就穿越这两种地质的施工工艺进行论述。 

  穿越石英岩地质施工工艺 

  石英岩很硬,顶管顶进速度慢,使挖掘面上部砂岩出现滑落,上部流砂涌入顶管机内,造成管节上部出现渗漏漏斗,灰浆池地面开裂。 

  针对以上情况,我部将采取如下几点措施 

  (1)启用气压平衡顶管法施工,平衡挖掘面水压力。 

  (2)采用微差预裂爆破挖掘石英岩。 

  (3)针对出现石英岩分布情况不明问题,需立即在右线顶管机头前方轴线上进行地质补堪,以确定石英岩是否属于孤石以及沿顶管方向分布长度,以便于采取后继的相关措施。 

  (一)、主要施工工艺 

  1、气压平衡顶管施工工艺 

  (1)气压法顶管介绍 

  气压法顶管是在顶进管道的前方工具仓〔机头〕内设置气压密封门形成气压舱,向舱内充入压缩空气,由于压缩空气向正面土层的孔隙隙中渗透,将工具管前方土层中的地下水从土壤的孔隙中排挤到远方,给工具管作业面提供一个无水稳定的环境,同时,气体的压力也使机头前的土体开挖面维持稳定而不坍落。 

  (2)气压舱布置 

  在顶管机头处设置两道钢封门,将顶管机头及第一节管节(1#管)分割成两个舱。同时在第二道封门上安装两个钢管舱口,分别为出土舱口和人员进出舱口。 

   1#封门主要用于防止塌方、流砂、透水等事故的应急封闭和爆破减震,门上设有观察室,方便掌握工作面情况。 

  2#封门安装有主封门用于非施工阶段人员、设备进出;1个“人行舱”用于充气加压后人员进出,1个“出土舱”用于出土,1个进气管用于加压,1个排气管用于减压,1个压力表用于读取和控制舱内压力,1个排水阀用于排除舱内积水。 

  (3)气压平衡加压系统布置 

  加压系统主要由空压机组、空气过滤器、减压阀、进气管、阀门等组成,气压仓的气压是通过工作井外的空压机提供,空气需过滤,地下水头大时,应有备用空压机。 

  (4)气压顶进工作操作步骤 

  当2#封门关闭且增压后(约0.1MPa),工人自人行舱进入,人行舱和出土舱管道(φ1100mm,L=1800mm)两头分别安装密封门,可交替打开防止人员进出和出土操作时漏气。首先将机头前挖出的土运到一、二道门之间的转运舱内,然后打开出土舱内侧封门,气体继续稳压机头前仓,将土转运至出土舱管道内,再关闭出土舱内侧封门并打开外侧封门,以防止气压泄露,此时可将出土舱管内土运至工作井。管道是边挖边顶,开挖量与顶进长度相匹配。 

  (5)开挖顶进平衡控制 

  第一、顶管掘进机在顶进过程中,气仓压力与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态;第二、它的开挖量与掘进机顶进所占有的土的体积也处于一种平衡状态。 

  在顶进过程中,其气压仓的压力P如果小于所处土层的地下水压力和主动土压力P1时,地面就会产生沉降:反之,气仓的压力如大于所处土层的地下水压力和被动土压力P2时,地面就会产生隆起,这是一个逐渐演变的过程。我们要将气仓压力控制在Pl至P2之间,才能达到平衡。 

  (二)、预裂爆破开挖施工工艺 

  (1)爆破工艺流程 

  顶管右线顶进至255.6m(不含机头3m)处出现了与地质报告不符的坚硬石英岩,为了保证掘土施工进度,结合隧道爆破技术经验,我部将采用掏心微震爆破法破除岩层,人工装运出土工艺。爆破顶进施工工艺流程:地质调查→放样布眼→掏心爆破→通风排气→顶进挤土→人工出土。 

  (2)爆破技术设计 

  根据该工地地质及气压法施工环境情况,爆破方案设计要点如下: 

  a、布孔:采用水平孔直线桶形掏槽. 

  炮眼数目: 

  N=3.3×(fS2)1/3+6(光爆孔) 

  =3.3×(12×9.079)1/3+6=39(个) 

  炮眼深度:L=1.5-1.8m 

  光爆孔孔距b=0.4m 

  单位炸药消耗量:q=1.9kg/m3 

  b、装药量:掏槽眼1.5-1.8m;辅助眼1.2-1.4m;周边眼0.9-1.1m。 

  c、装药结构:掏槽孔、辅助孔采用柱状连续装药,周边孔(石英岩部分)采用间接或不耦合装药结构的光面爆破。 

  d、起爆方法:采用微差爆破技术(△t=25~50ms),选用毫秒延期导爆管雷管分段簇联起爆。 

  (3)爆破技术要点 

  针对上述爆破条件特点,为确保施工效率、施工安全与施工进度,爆破设计与施工中采取了如下技术措施: 

  a、采用小孔网爆破参数,辅助眼、周边眼单孔最大装药量不得大于0.5kg; 

  b、微震爆破控制爆破单响药量,掏槽孔单孔最大装药量不大于2.5kg。 

  c、钻孔底部的最小距离不得小于30cm; 

  (5)相关计算 

  掏槽孔单孔装药量 

  Q=qV/N 

  式中:q——单位耗药量,这里q值(按七类土)查表取1.9kg/m3; 

  V——掏槽眼爆破的岩石体积,m3。 

  N——掏槽炮孔数,N=4个。 

  V=1.5*3.14*1.12=5.7m3 

  则Q=1.9*5.7/4=2.7Kg。 

  (6)堵塞长度 

  药孔法破碎岩层用2#岩石乳化炸药这种低级炸药,装入时,可将装药整卷直接放入药孔,一筒一筒往里丢;也可揉成粉状倒入。 

  装药结束后一定要进行填塞。选择合适的填塞长度后,使炸药能量尽可能朝抵抗线方向作用,并控制爆轰气体对空气的冲击,使爆轰气体对岩石进一步破碎。 

  填塞长度(L2)和孔径(d)有关:L2=(20~30)d,填塞长度在50~70cm为宜。填塞时可用青粘土或砂质粘土加以填塞,边填塞边用炮棍捣实,应先轻后重,切勿将雷管脚线捣断。 

  2、爆破施工安全措施 

  爆破危害有爆破震动、空气冲击波、飞石、噪声、有毒气体和灰尘。如果对其认识不足或或没有采取必要的安全措施,就有可能发生爆破事故,造成不良后果,甚至导致整个爆破作业失败。因此对上述危害必须加以控制。 

  (1)爆破震动校核 

  质点震动速度计算: 

  根据对萨道夫斯基公式适当修正后,得到的经验公式,并用国家《爆破安全规程》(GB6722-2003)规定的安全标准校核。  

  式中:V——质点垂直震动振速,cm/s; 

  Q——一次最大齐爆药量,kg; 

  R——爆破中心与被保护建筑物的距离,m; 

  K——与地形、地质有关的系数,K取135,; 

  α——地震波衰减系数,α取1.5。 

  一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物:V取2~3cm/s;钢筋混凝土框架房屋:V≤5cm/s。 

  以顶管埋深到地面的距离22m计算,计算得V=2.05。小于控制的安全震动速度标准,爆破引起的地面震动对建筑物来说是安全的。 

  二、穿越粉细砂层施工工艺 

  因顶管现阶段所处该地层无法承受机头自重及纠偏反力,且管道顶进中涌水、涌砂导致上部土体沉降塌陷, 厚23m左右的软弱覆土应力拱消失,管周主动土压力非常大,使得顶管各中继间顶力远远超出额定油压(32MPa),达到45MPa以上,为增加顶力减小油压,我部于12月6日在左线1#、2#中继站增设小千斤顶(由原30个增加至40个),使油压维持在42MPa左右。 

  因在此软弱地层中无法进行有效的纠偏,机头自320m桩号位置出现了下沉“扣首”现象,期间项目部一直最大限度采取纠偏措施,纠偏千斤顶保持12cm(最大)纠偏幅度,但效果仍不明显,尤其顶至桩号384m-404m这20m段,机头突然快速下沉,达到24mm/m的下沉速率,现机头处累计下沉已达到98cm。 

  (一)、总体处理方案 

  1、在2#中继站后方安装气压舱门,采用气压平衡用以防止中继间和机头部位涌水涌砂,从而减小子堤沉降,并平衡机头土体,清理机头处流砂后可探明机头前方情况(有无木桩、孤石等)。 

  2、在2#中继间增设两个400t千斤顶,用以增加顶力。并在管道较大变形段(2#中继站至1#中继间)增设临时支撑,以防止管道变形扩大。 

  3、当增设气压和顶力后仍不能顶进时,则对2#站至1#站之间管道外部土体采用高压射水方法,以冲刷破坏管周附着土体,从而减小管壁摩阻力。 

  (二)、主要施工工艺 

  (1)气压舱布置 

  在顶管2#中继站后部管节处设置一道钢封门,同时在封门上安装1个钢管舱口,作为人员进出舱口。 

  2、增设千斤顶施工工艺 

  (1)千斤顶布置 

  2#中继站目前布设有40个50t小千斤顶,总顶力为2000t,现在2#站管节下部左右各增设两个400t千斤顶,增加顶力至2800t。 

  (2)变形管节加固措施 

  根据我部对左线整体管线管节失圆量测量,在2#站至1#站之间共9节管节发生了变形,因此对此部分管节采用槽钢支架进行横向和纵向加固,防止顶进中因管道上部土压力过大而导致管节变形加大甚至破坏。 

  3、管周高压射水减阻工艺 

  (1)钢管管周共设有5个注浆孔,每根管节2排,2#中继间至1#中继间共18排注浆孔,可分排依次进行高压射水减阻施工,还可根据需要往返重复射水减阻施工,以达到更好减阻效果。 

  (2)由于2#中继站至机头段可气压平衡水土压力,注浆管拆除后,可避免注浆孔发生涌水涌砂,根据右线气压顶进经验,气压舱压力保持0.12MPa左右即可。 

  (3)首先将管节顶部注浆孔与高压水管相连,其余注浆孔阀门打开,高压水自顶部注浆孔射入,冲刷管周土体后泥水自其余4个注浆孔流出,从而达到松动、破坏管周土体目的,这将大大减小管周土体摩阻力,保证顶管顺利顶进。 

  三、结束语 

   通过本工程的参与,我深入了解到钢顶管在硬质石英岩地质和古河道冲沟地层(粉细砂层)中的施工工艺和方法,为以后的施工积累了经验,同时也有以下几点体会: 

  (1)勘察资料的准确,顶进系数控制准确,正确顶进工艺选择,是钢顶管顺利顶进的前提条件。 

  (2)气压法顶管工艺土层稳定安全,动灵活,在砂性土、粉质粘土、软塑粘土中顶进时,功效好。在岩层中爆破时,装药量和排距要谨慎布置,采取必要的安全措施防止爆破震动、空气冲击波、飞石、噪声、有毒气体和灰尘等爆破危害。 

  (3)在顶管顶进过程中应成立专门的量测小组,测量小组负责测点埋设、日常测量、数据处理等工作,并及时将量测信息反馈于施工和设计。